黏度曲線
關注創建者：ACMT協會 創建時間：2023-07-07
黏度曲線的實例教程
在誠模精密的材料應用研究中心，我們研究了大量的PCR材料的流變特性，如圖1展示了不同PCR含量的ABS材料的剪切黏度曲線。
圖1：不同PCR含量的ABS的剪切黏度曲線
從曲線中可以看出，盡管三種牌號的熔體流動速率值是一樣的，但剪切黏度曲線卻有不同。隨著PCR含量的增加，剪切黏度呈現出下降的趨勢。因此，為了更準確的預測含有PCR的高分子材料在模具型腔中的充填過程，誠模精密的材料實驗室會對每一批PCR來料（同一牌號不同批次）的剪切黏度進行測試，以確保所形成的mtr數據包是準確無誤的。
除了含有PCR的材料，如果是同一牌號的不同顏色，我們也會分別測試其剪切黏度。
圖2：不同顏色的EXL1414的剪切黏度曲線
如圖2所示，三種材料均為EXL1414，分別為本色料、黑色料和白色料，其剪切黏度也呈現出不同的變化。■
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展開 當油脂的升高，潤滑脂變軟（稠度降低，基礎油黏度降低）；溫度降低潤滑脂變硬（稠度升高，基礎油黏度升高）。油脂的最佳使用溫度范圍，就是一個大致的溫度范圍，在這個范圍里，潤滑脂的基本稠度和基礎油粘度在某個范圍內，大概率可以提供一定的潤滑性能。
問題來了，這個溫度范圍內的潤滑性能是不是滿足設備設計者所選擇的工況范圍呢？答案是不一定！因此真正的潤滑脂溫度選擇是要經過一定的計算。
潤滑脂的溫度選擇
通常選擇潤滑脂是為了在給定工況下能為軸承提供足夠潤滑。此時需要對“給定工況”和“滿足潤滑性能”進行校核。這就是通常的潤滑選擇校核計算。
以往曾經講過（亦可以查閱《電機軸承應用技術》、《電機軸承故障診斷與分析》、《齒輪箱軸承應用技術》，以及本公號其他文章），潤滑脂的選擇校核計算本質上是校核卡帕系數。當卡帕系數為1至4之間的時候，說明所選潤滑滿足潤滑需求。
在計算的過程中，可以注意到其中有很多的溫度影響。比如黏度變化曲線，其實是黏度對溫度的變化曲線。
這個校核計算的本質就是校核所選潤滑脂在當前溫度下，是否可以滿足卡帕系數落到1-4之間。如果答案是肯定的，那么選擇就是恰當的，否則則需要進行調整。
總結
從上面的介紹感覺溫度選擇和標稱溫度沒有直接的關系。事實上，標稱的溫度與油脂的選擇是有一定聯系的。因為油脂的滴點等性能決定了黏度曲線，而卡帕系數的計算也來自于黏度曲線。
通過本文的介紹不難發現，直接將使用溫度和油脂標稱數據進行對比的方式往往是不準確的。
問題來了，為什么油脂供應商不給一個可對比的參數呢？答案是，這不可能。因為油脂供應商不知道設備設計者選擇的工況條件。而油脂的性能是隨著工況（溫度）變化的。因此無法給出一個定值。
展開 相信做過CAE的讀者，都看過材料的黏度曲線（圖4）。這是一支普通熱塑性材料的黏度曲線圖。熔融塑膠基本上都屬于非牛頓型流體，也就是說液體的黏度會隨剪切速率的變化而變化。
圖4：熱塑性材料的黏度曲線
剪切力、剪切速率可以用圖５解釋，圖5可以看成是兩塊平行的板子，而中間填充著熔融塑膠，此時向上方的木板施加一個向右的力時，速度和力會以「接力賽」的方式，一層往一層傳遞，每次傳遞都會產生速度差。加上熔膠在模穴內存在不同的散熱效果，分為了表皮層、剪切層和流動中心層，因此會存在熔膠中間速度快，兩側速度慢的「噴泉流動」(Fountain Flow)現象。
圖5：剪切力的傳遞&噴泉流動圖
了解這些原理后，我們就能知道：基于熔膠的「噴泉流動」行為，當剪切越劇烈時，熔膠的速度差異越大。而不同層流的速度、溫度存在的差異就會被放大，最終變成外觀上的缺陷。而變模溫技術(RHCM)，也稱急冷急熱技術，之所以能改善大多數外觀缺陷如縫合線、流痕、光澤度、色差等，主要是在高溫狀態下，改變了熔膠原本的「噴泉流動」行為，使熔膠能更平順的在模穴內流動，熔膠熔接的溫度更均勻。所以在認識熔膠流動的方式后，下面我們再來看看實例。
如應力痕的發生原因，主要是因為剪切層溫度上升，可能使原已凝固的表皮層再度軟化及熔解，甚至撐破配向的表皮層而形成有色差的應力痕。在CAE內，雖然無法呈現表皮層軟化熔解的現象，但可表現為剪切應力結果高、流動波前溫度高等結果。通過這些結果來判斷產品外觀是否有應力痕的風險。
圖6：剪切應力結果及實際樣件
除了應力痕、還有流痕、色差、噴射痕這些在CAE上無直接結果能判斷是否存在的，我們都可以通過剪切率、速度矢量、波前溫度結果，判斷是否有劇烈的速度差異、溫度差異，從而判斷是否設計有問題、是否工藝有問題。
展開 圖2 為PP 的黏度數據。
圖2：PP 流變量據（不同溫度和不同剪切速率下的黏度數據）散點
測試結果Cross-WLF 黏度模型擬合
聚合物的流變特性可通過Cross-WLF 黏度模型描述：
其中，n是在溫度為T、剪切速率y為下的剪切黏度，n0為剪切速率為0 時的剪切黏度。Tau*是與材料的松弛時間有關的參數， D1與玻璃化轉變溫度Tg相關A1和A2與材料的熱膨脹系數有關。T*=D2+D3P，A2=A2~+D3P,P為壓力。該黏度模型中， 七個未知參數為：D1D2D3A1A2~Tau*n。利用CAE 仿真仿真軟件將七個參數與溫度 ，剪切黏度和剪切速率的數據輸入擬合，結果如表1和圖3 所示。
圖表1：Cross-WLF 黏度模型的流變參數
圖3：PP（在線）流變曲線
作為對上述一般實驗程序的驗證，以另一種商品名為Propathene GWE 23，密度為0.92889g/cm3 的PP 進行了流變測試，該聚丙烯來自英國制造商Ineos。
圖4：PP（CAE 仿真仿真軟件）流變曲線
表1 和圖4 顯示了使用不同測試方法對同一系列材料的測試結果。與在線測量相比，流變曲線的趨勢是一致的，這可以證明新的在線測量是可行的，盡管材料是由不同公司制造的。
結論
本文提供一種基于射出機的典型聚合物流變性能在線測試的技術，它適用于各種高分子聚合物。
展開 另外也常藉由不同射出速度設定實驗來建立流變 曲線（黏度曲線或稱U型曲線）（如圖3），
圖3：利用黏度曲線（U型曲線）實驗來確定較適化的射出速度
藉以決 定最適化的射出速度參數，同時也可根據固定保壓設 定值與產品重量量測實驗來進行澆口封口時間研究， 以確認有效保壓作用時間參數（如圖4）。
圖4：澆口封口保壓有效時間確認實驗
結語
科學化試模與射出成型加工參數的優化設定除了上述 常見的科學化實驗外，也需要在實驗或試模過程中記 錄相關的加工參數與數據，包含塑料除濕干燥后的含水率、熔膠實際的料溫、實際的射出充填時間、模具 表面溫度分布、模溫機冷卻介質的流量、成型加工周 期時間、機臺響應數據（如圖5）與速度、壓力、行 程響應曲線（如圖6）等。
圖5：射出成型機臺的射出響應數據
圖6：射出成型機臺的射出響應曲線
通過科學試模建立的成型加工參數設定與連續加工生 產制程參數，并參考制程中偵測和記錄的科學化制程 數據，可以在整個射出加工生產周期內以最少時間來 精確優化成型加工參數，并且可以使射出加工制程更 穩定、射出產品質量更一致。■
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從生成材料在數十種扭矩下的簡單黏性流動曲線（黏度與剪切力曲線圖）到測量屈服應力，再到用于模擬食物咀嚼過程的序列，旋轉流變儀可用于多種測試類型。
1. 旋轉流變儀的工作原理
旋轉流變儀在兩個測量板或其他相似的幾何形狀板（如錐板或杯和轉子系統）之間加載樣品。
大部分熱塑性材料的黏度曲線與剪應變速率具有相似的相關性。
在低剪應變速率情況下，黏度近乎為一個常數值，此區即所謂的”上牛頓區域” (Upper Newtonian Region)。通常，高分子的鍵結會隨剪應變速率的升高而趨向整齊的排列，所以黏度便會相對地下降，故這個區間又稱為”剪切變稀區域” (Shear Thinning Region)。
圖2中給出了目前工業界常用的幾種用于擬合UHMWPE黏均分子量與特性黏度的關系式曲線，由圖中曲線可以看出各關系式之間的巨大差別，也說明利用稀溶液黏度法測定UHMWPE分子量信息的不確定性。
大部分熱塑性材料的黏度曲線與剪應變速率具有相似的相關性。
在低剪應變速率情況下，黏度近乎為一個常數值，此區即所謂的”上牛頓區域” (Upper Newtonian Region)。通常，高分子的鍵結會隨剪應變速率的升高而趨向整齊的排列，所以黏度便會相對地下降，故這個區間又稱為”剪切變稀區域” (Shear Thinning Region)。
圖4 不同改性樣品在不同應變速率下的瞬態拉伸黏度曲線
為了更直觀觀察對比擴鏈劑對熔體強度的提升，固定應變速率為0.5，作應力對Hencky應變的圖，如圖5所示，隨著SAG添加量的提高，熔體拉伸強度逐步提高，當添加量達到2%時，熔體應力應變曲線與Hyt4275相當，最大應力有所超過。
相信做過CAE的讀者，都看過材料的黏度曲線（圖4）。這是一支普通熱塑性材料的黏度曲線圖。熔融塑膠基本上都屬于非牛頓型流體，也就是說液體的黏度會隨剪切速率的變化而變化。
大部分熱塑性材料的黏度曲線與剪應變速率具有相似的相關性。
在低剪應變速率情況下，黏度近乎為一個常數值，此區即所謂的”上牛頓區域” (Upper Newtonian Region)。
和
其中 η 是power-law指標，η0 是零剪力黏度，τ* 是描述零剪應變區域與黏度曲線的power-law區域間的轉換區域之參數。體積分率函數f 是為追蹤流動波前的進展而導入的函數，f = 0 代表是氣相，f = 1代表高分子熔流相，當流動波前處于cells中時 0<f<1。f的增加除以時間可以以下的傳輸方程式來概括：
模具入口的流率與射出壓力是有規定的。
和
其中 η 是power-law指標，η0 是零剪力黏度，τ* 是描述零剪應變區域與黏度曲線的power-law區域間的轉換區域之參數。體積分率函數f 是為追蹤流動波前的進展而導入的函數，f = 0 代表是氣相，f = 1代表高分子熔流相，當流動波前處于cells中時 0<f<1。f的增加除以時間可以以下的傳輸方程式來概括：
模具入口的流率與射出壓力是有規定的。
在誠模精密的材料應用研究中心，我們研究了大量的PCR材料的流變特性，如圖1展示了不同PCR含量的ABS材料的剪切黏度曲線。
圖1：不同PCR含量的ABS的剪切黏度曲線
從曲線中可以看出，盡管三種牌號的熔體流動速率值是一樣的，但剪切黏度曲線卻有不同。隨著PCR含量的增加，剪切黏度呈現出下降的趨勢。
